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切线:导数的第一个几何后果

这一讲只解决一个问题:已知函数 $y=f(x)$,如何严谨地写出它在点 $P(a,f(a))$ 处的切线,并辨别题目究竟给的是横坐标、切点、斜率,还是“另一条”经过某点的切线。

学习目标

这一讲只解决一个问题:已知函数 $y=f(x)$,如何严谨地写出它在点 $P(a,f(a))$ 处的切线,并辨别题目究竟给的是横坐标、切点、斜率,还是“另一条”经过某点的切线。

切线定理

若 $f$ 在 $x=a$ 处可导,则曲线 $y=f(x)$ 在 $P(a,f(a))$ 处的切线为

$$ y-f(a)=f'(a)(x-a). $$

这不是记忆模板,而是点斜式:切线经过 $P$,斜率是导数 $f'(a)$。因此写题必须先确定两个对象:切点坐标该点导数值

若 $f'(a)=0$,切线是水平线 $y=f(a)$;若题目把曲线改为参数曲线或隐函数,仍需先把切点和切线斜率求出,不能直接套本页公式。

一条切线、两条切线与“相切”

设直线 $l:y=kx+b$ 与曲线 $y=f(x)$ 在横坐标 $x=t$ 处相切。相切至少给出两件事:

$$ f(t)=kt+b,\qquad f'(t)=k. $$

第一式是“公共点”,第二式是“斜率相等”。它们是必要条件;在高中常见的光滑函数题中,联立后再回代检验,便能筛出切点。不要把“方程有重根”当作无需说明的魔法:对 $f(x)-(kx+b)$ 来说,切点处函数值和一阶变化率同时为零,才反映了相切。

例 1:已知切点横坐标

求曲线 $y=x^3-3x+2$ 在 $x=2$ 处的切线。

令 $f(x)=x^3-3x+2$,则 $f(2)=4$,$f'(x)=3x^2-3$,所以 $f'(2)=9$。

切线经过 $(2,4)$,斜率为 $9$,故

$$ y-4=9(x-2), $$

即 $y=9x-14$。

例 2:给切线斜率,切点未给出

求曲线 $y=x^2-2x+3$ 中斜率为 $4$ 的切线。

设切点横坐标为 $t$。由于切线斜率等于 $f'(t)$,

$$ 2t-2=4, $$

故 $t=3$。再算点的纵坐标:$f(3)=6$。所求切线是

$$ y-6=4(x-3), $$

即 $y=4x-6$。这里先由斜率找 $t$,再由函数值找点,顺序不能倒置。

例 3:过定点的切线有几条

求曲线 $y=x^2$ 过点 $(0,-1)$ 的切线。

设切点为 $(t,t^2)$。该点切线斜率为 $2t$,故切线为

$$ y-t^2=2t(x-t), $$

即 $y=2tx-t^2$。它经过 $(0,-1)$ 当且仅当 $-t^2=-1$,故 $t=\pm1$。

因此有两条切线:

$$ y=2x-1,\qquad y=-2x-1. $$

“过曲线外一点”可能有零条、一条或多条切线;设切点参数 $t$ 是统一处理法。

局部线性化:切线为何有用

由导数定义可写成

$$ f(a+h)=f(a)+f'(a)h+r(h),\qquad \frac{r(h)}h\to0\ (h\to0). $$

这说明当 $h$ 很小时,函数的变化首先由 $f'(a)h$ 决定;切线 $L(x)=f(a)+f'(a)(x-a)$ 是曲线在 $a$ 附近的一阶近似,而不是在整个定义域都“等于”原函数。

例 4:用切线估算而不伪装成等号

估算 $\sqrt{4.04}$。令 $f(x)=\sqrt{x}$,在 $a=4$ 处有 $f(4)=2$,$f'(4)=\frac14$。

取 $h=0.04$,线性近似给出

$$ \sqrt{4.04}=f(4.04)\approx f(4)+f'(4)\cdot0.04=2.01. $$

近似号来自余项 $r(0.04)$ 未必为零;这正是“切线近似”与“函数恒等式”的边界。

本地题源对应

本页对应本地一轮复习的考点 49:导数的几何意义与切线问题。题库页会保留原题图形和原题文本;上课时先要求学生把“设切点横坐标为 $t$”这一句说完整,再进入计算。

费曼复述卡

  1. 为什么切线斜率是极限,而不是任取两点斜率?
  2. 已知直线与曲线相切,为什么要同时写 $f(t)=kt+b$ 和 $f'(t)=k$?
  3. 过定点求切线时,参数 $t$ 分别承担了什么角色?